CN112264986B - 一种弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，包括：固定平台；动平台；第一运动运动支链，包括：第一加热部件、第一形状记忆合金弹簧和滑动件，第一加热部件均匀间隔设置在所述固定平台上，第一形状记忆合金弹簧为弧形且一端与第一加热部件连接、另一端与滑动件连接，滑动件可在固定平台上滑动；第二运动运动支链，包括：第二加热部件和第二形状记忆合金弹簧，第二形状记忆合金弹簧一端与第二加热部件连接、另一端与动平台转动连接。本申请的并联机构，利用形状记忆合金弹簧加热伸长、冷却收缩的原理，实现动平台绕空间固定点做三自由度运动，且动平台绕Z轴的旋转相对其它两个方向的旋转具有解耦性。

Description

一种弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构

技术领域

本发明涉及并联机构技术领域，尤其涉及一种弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构。

背景技术

自1938年首次提出并联机器人以来，因其具较大刚度、较强的承载能力、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等特点,广泛应用于社会的各个领域。其中，球面并联机构属于3转动并联机构，其能实现绕动平台参考点运动球面的球心的任意转动，当机构运动时，机构动平台上所有的点都绕着该球心、以一个固定半径转动。球面并联相对于一般的并联机构的优势是工作空间大、灵活可靠、不易发生干涉等。并联机构解耦即是其动平台的某个方向运动(移动或转动)仅仅依赖一个方向驱动单元的动作，而其他方向的驱动不影响该方向的运动，且机构解耦可分为无条件解耦、有条件解耦和瞬时解耦三种。

如公开为CN101306534A公开了一种具有中心球面铰链的偏置输出三自由度球面并联机构，其具有典型的3-RRR型机构特征，实现绕固定中心做三个方向转动；公开号为CN101924266A公开了一种球面三自由度并联机构天线结构系统，其较一般的3自由度球型机构相比，具有较大的工作空间；公开号为CN104827463A公开了一种具有弧形移动副的三自由度球面并联机构，采用弧形移动副的形式来实现动平台绕弧形的中点做三个方向的转动。

现有技术中这些机构支链的运动副配置大多包含RR，RRR，RPS，并且这些运动副的轴线相交于一点，来实现动平台的3个自由度的运动；且这些机构支链运动副的数量多、转动副或者移动副的轴线偏移，导致动平台运动不顺畅，甚至卡死的现象发生，严重影响机构的整体运动性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，以解决现有技术存在的技术缺陷。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，包括：

固定平台；

动平台；

第一运动支链，包括：第一加热部件、第一形状记忆合金弹簧和滑动件，所述第一加热部件的数量为三个且沿周向均匀间隔设置在所述固定平台上，所述第一形状记忆合金弹簧为弧形且一端与所述第一加热部件连接、另一端与所述滑动件连接，所述滑动件可在所述固定平台上滑动；

第二运动支链，包括：第二加热部件和第二形状记忆合金弹簧，所述第二加热部件的数量为三个且与所述滑动件一一对应，所述第二加热部件位于所述滑动件上并且可绕滑动件顶部平面的法线转动，所述第二形状记忆合金弹簧一端与所述第二加热部件连接、另一端与所述动平台转动连接。

可选的，所述的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，所述滑动件包括滑动支撑块以及滑轮，所述滑轮设置在滑动支撑块下端，所述滑轮可在所述固定平台上滑动，所述第二加热部件可绕滑动支撑块顶部平面的法线转动。

可选的，所述的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，所述第二形状记忆合金弹簧另一端通过球铰副与所述动平台连接。

可选的，所述的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，所述第一形状记忆合金弹簧、所述第二形状记忆合金弹簧的表面涂覆有保温涂层。

可选的，所述的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，所述第一加热部件、所述第二加热部件均包括控制器和加热器，所述控制器控制所述加热器启动/关闭，以对第一形状记忆合金弹簧/第二形状记忆合金弹簧加热/冷却。

可选的，所述的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，所述第一形状记忆合金弹簧、所述第二形状记忆合金弹簧的横截面为圆形、椭圆或方形。

本发明的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构相对于现有技术具有以下有益效果：

本发明的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，包括多个第一形状记忆合金弹簧、第二形状记忆合金弹簧，利用形状记忆合金弹簧加热伸长、冷却收缩的原理，实现动平台绕空间固定点做三自由度运动，且动平台绕Z轴的旋转相对其它两个方向的旋转具有解耦性；另外，此机构较大程度减少传统弧形移动副加工、安装等难度；同时本申请的并联机构可避免现有技术中转动副或者移动副的轴线偏移，导致动平台运动不顺畅，甚至卡死的现象发生而影响机构的整体运动性能；本申请的并联结构简单、质量轻，运动精度高、灵活度高等特性，并且该并联机构结构具有两种驱动模式，可进行高精准调节动平台位置，可应用于精密机床加工设备、微生物体处理设备、医疗设备等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的其中一个实施例中弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构的结构示意图；

图2为本发明的其中一个实施例中固定平台、滑动件、第一加热部件连接的结构示意图；

图3为本发明的其中一个实施例中第一加热部件、第一形状记忆合金弹簧、滑动件的俯视图；

图4为本发明的其中一个实施例中第一形状记忆合金弹簧和滑动件连接的结构示意图；

图5为本发明的另一个实施例中弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构的结构示意图；

图6为本发明的其中一个实施例中第一形状记忆合金弹簧为双层结构的三自由度解耦并联机构的结构示意图；

图7为本发明的其中一个实施例中第一形状记忆合金弹簧、第二形状记忆合金弹簧均为双层结构的的三自由度解耦并联机构的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1～7所示，一种弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，包括：

固定平台1；

动平台2；

第一运动支链，包括：第一加热部件3、第一形状记忆合金弹簧4和滑动件，第一加热部件3的数量为三个且沿周向均匀间隔设置在固定平台1上，第一形状记忆合金弹簧4为弧形且一端与第一加热部件3连接、另一端与滑动件连接，滑动件可在固定平台1上滑动；

第二运动支链,包括：第二加热部件5和第二形状记忆合金弹簧6，第二加热部件5的数量为三个且与滑动件一一对应，第二加热部件5位于滑动件上并且可绕滑动件顶部平面的法线转动，第二形状记忆合金弹簧6一端与第二加热部件5连接、另一端与动平台2转动连接。

需要说明的是，本申请实施例中，本申请实施例中固定平台1位于动平台2下方，第一运动支链和第二运动支链位于固定平台1和动平台2之间，固定平台1和动平台2的横截面均为圆形，当然实际中固定平台1和动平台2的截面还可设置为其他形状，固定平台1和动平台2的轴线位于同一直线上。

本申请实施例中，第一加热部件3、第二加热部件5可采用金属电热元件或非金属电热元件，金属电热元件如镍铬丝、铁铬铝丝、镍铁丝、镍铜丝等；非金属电热元件如碳化硅、硅钼棒、PTC电热元件等。第一加热部件3的数量设置为3个并且沿圆周方向均匀间隔设置在固定平台1上。具体的，实际中，第一加热部件3可通过安装在固定平台1上的支撑板固定在固定平台1上，且支撑板采用螺钉或者焊接的方式安装在固定平台1上。

在本申请实施例中，第一形状记忆合金弹簧4和第二形状记忆合金弹簧6均由形状记忆合金丝绕制成的，其利用了形状记忆合金的记忆效应，在形状记忆合金弹簧受热弹簧时拉长，而受冷时弹簧冷却收缩恢复至原状，具体的，形状记忆合金弹簧可采用CuZnAl、TiNi等记忆合金弹簧，第一形状记忆合金弹簧4和第二形状记忆合金弹簧6具有单程、双程或全程记忆效应；第一加热部件3和第二加热部件5可分别用于对第一形状记忆合金弹簧4和第二形状记忆合金弹簧6进行加热；在第一加热部件3对第一形状记忆合金弹簧4进行加热后，第一形状记忆合金弹簧4在升温的过程中，将沿其弧形切线方向伸长，如此，即可推动滑动件在固定平台1沿第一形状记忆合金弹簧4的切线方向滑动，而第一加热部件3停止加热时，第一形状记忆合金弹簧4降温冷却，第一形状记忆合金弹簧4将沿其弧形切线方向伸缩恢复至原状；同理，当第二加热部件5对第二形状记忆合金弹簧6进行加热时，第二形状记忆合金弹簧6受热时，第二形状记忆合金弹簧6将沿其弧形切线方向伸长，当第二加热部件5停止对第二形状记忆合金弹簧6进行加热时，第二形状记忆合金弹簧6在降温的过程中，将沿其弧形切线方向伸缩。

本申请的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，包括多个第一形状记忆合金弹簧、第二形状记忆合金弹簧，利用形状记忆合金弹簧加热伸长、冷却收缩的原理，实现动平台绕空间固定点做三自由度运动，且动平台绕Z轴的旋转相对其它两个方向的旋转具有解耦性；另外，此机构较大程度减少传统弧形移动副加工、安装等难度；同时本申请的并联机构可避免现有技术中转动副或者移动副的轴线偏移，导致动平台运动不顺畅，甚至卡死的现象发生而影响机构的整体运动性能；本申请的并联结构简单、质量轻，运动精度高、灵活度高等特性，并且该并联机构结构具有两种驱动模式，可进行高精准调节动平台位置，可应用于精密机床加工设备、微生物体处理设备、医疗设备等领域。

在一些实施例中，滑动件包括滑动支撑块7以及滑轮71，滑轮71设置在滑动支撑块7下端，滑轮71可在固定平台1上滑动，第二加热部件5可绕滑动支撑块7顶部平面的法线转动。

在本申请实施例中，滑动件包括滑动支撑块7以及滑轮71，通过滑轮71在固定平台1上的滑动，实现滑动件在固定平台1上的滑动。

在一些实施例中，第二形状记忆合金弹簧6另一端通过球铰副与动平台2连接。具体的，第二形状记忆合金弹簧6另一端通过球铰副与动平台2的下端连接。

在一些实施例中，第一形状记忆合金弹簧4、第二形状记忆合金弹簧6的表面涂覆有保温涂层。具体的，保温涂层的材料为复合硅酸镁铝隔热涂料、稀土保温涂料、涂覆型复合硅酸盐隔热涂料等，通过设置保温涂层可防止第一形状记忆合金弹簧4、第二形状记忆合金弹簧6表面热量的散失。

在一些实施例中，第一加热部件3、第二加热部件5均包括控制器和加热器，控制器控制加热器启动/关闭，以对第一形状记忆合金弹簧4/第二形状记忆合金弹簧6加热/冷却。具体的，本申请中加热器可采用上述的金属电热元件或非金属电热元件，控制器控制加热器启动从而对第一形状记忆合金弹簧4或第二形状记忆合金弹簧6加热，控制器控制加热器关闭时加热器启动停止对第一形状记忆合金弹簧4或第二形状记忆合金弹簧6加热，并慢慢冷却降温。

在一些实施例中，第一形状记忆合金弹簧4、第二形状记忆合金弹簧6的横截面为圆形、椭圆或方形。具体的第一形状记忆合金弹簧4、第二形状记忆合金弹簧6的横截面形状可根据实际使用情况选择。实际中，第一形状记忆合金弹簧4、第二形状记忆合金弹簧6可以为一层或根据使用情况由内到外套设的多层结构，并且每层弹簧的刚度特性不一致。如图6～7中所示，图6中三个第一形状记忆合金弹簧4为双层结构，图7中三个第一形状记忆合金弹簧4以及三个第二形状记忆合金弹簧6均为双层结构。

以下进一步说明本申请的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构的工作原理。

工作方案一

同时控制均布于固定平台1上的三个第一加热部件3加热或停止加热，使得第一形状记忆合金弹簧4升温或降温，使得第一形状记忆合金弹簧4沿其弧形切线方向往复收缩运动，进而带动滑动件及第二形状记忆合金弹簧6一起运动，将实现动平台2绕垂直于固定平台1的法线转动，且此转动运动相对动平台2其他方向的运动具有解耦性。

分别控制固定平台1上的两个第一加热部件3加热，使对应的第一形状记忆合金弹簧4升温，该第一形状记忆合金弹簧4将沿其弧形切线方向伸长；而控制另外一个第一加热部件3停止加热，使得对应的第一形状记忆合金弹簧4沿其弧形切线方向收缩，且相对于滑动件上表面的法线转动，将实现动平台2绕一个方向平行于固定平台1的轴线旋转(X轴)。当分别控制固定平台1上的另外两个第一加热部件3加热，这两个第一加热部件3不同于前述，将带动滑动件及第二形状记忆合金弹簧6伸长或者收缩，将实现动平台2绕一个方向平行于固定平台1的轴线旋转(Y轴)，此轴线垂直与前述轴线(X轴)。

工作方案二

同时控制三个滑动件上的第二加热部件5加热或停止加热，使得第二形状记忆合金弹簧6升温或降温，使得第二形状记忆合金弹簧6沿其弧形切线方向往复收缩运动，将实现动平台2绕垂直于固定平台1的法线转动，且此转动运动相对动平台其他方向的运动具有解耦性。

分别控制三个滑动件中两个第二加热部件5加热，使对应的第二形状记忆合金弹簧6升温，该第二形状记忆合金弹簧6将沿其弧形切线方向伸长；而控制另外一个滑动件上的第二加热部件5停止加热，使得对应的第二形状记忆合金弹簧6沿其弧形切线方向收缩，且相对于滑动件上表面的法线转动，将实现动平台2绕一个方向平行于固定平台1的轴线旋转(X轴)。当分别控制另外两个滑动件中上的第二加热部件5加热，这两个第二加热部件5不同于前述，将实现动平台2绕一个方向平行于固定平台1的轴线旋转(Y轴)，此轴线垂直与前述轴线(X轴)。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，其特征在于，包括：

固定平台；

动平台；

第一运动支链，包括：第一加热部件、第一形状记忆合金弹簧和滑动件，所述第一加热部件的数量为三个且沿周向均匀间隔设置在所述固定平台上，所述第一形状记忆合金弹簧为弧形且一端与所述第一加热部件连接、另一端与所述滑动件连接，所述滑动件可在所述固定平台上滑动；

第二运动支链，包括：第二加热部件和第二形状记忆合金弹簧，所述第二加热部件的数量为三个且与所述滑动件一一对应，所述第二加热部件位于所述滑动件上并且可绕滑动件顶部平面的法线转动，所述第二形状记忆合金弹簧一端与所述第二加热部件连接、另一端与所述动平台转动连接；

所述第一形状记忆合金弹簧及第二形状记忆合金弹簧采用CuZnAl、TiNi记忆合金弹簧，所述第一形状记忆合金弹簧和所述第二形状记忆合金弹簧具有单程、双程或全程记忆效应；所述第一加热部件和第二加热部件可分别用于对所述第一形状记忆合金弹簧和所述第二形状记忆合金弹簧进行加热；在所述第一加热部件对所述第一形状记忆合金弹簧进行加热后，所述第一形状记忆合金弹簧在升温的过程中，将沿其弧形切线方向伸长，如此，即可推动所述滑动件在所述固定平台沿所述第一形状记忆合金弹簧的切线方向滑动，而所述第一加热部件停止加热时，所述第一形状记忆合金弹簧降温冷却，所述第一形状记忆合金弹簧将沿其弧形切线方向伸缩恢复至原状；同理，当所述第二加热部件对所述第二形状记忆合金弹簧进行加热时，所述第二形状记忆合金弹簧受热时，所述第二形状记忆合金弹簧将沿其弧形切线方向伸长，当所述第二加热部件停止对所述第二形状记忆合金弹簧进行加热时，所述第二形状记忆合金弹簧在降温的过程中，将沿其弧形切线方向伸缩。

2.如权利要求1所述的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，其特征在于：所述滑动件包括滑动支撑块以及滑轮，所述滑轮设置在滑动支撑块下端，所述滑轮可在所述固定平台上滑动，所述第二加热部件可绕滑动支撑块顶部平面的法线转动。

3.如权利要求1所述的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，其特征在于：所述第二形状记忆合金弹簧另一端通过球铰副与所述动平台连接。

4.如权利要求1所述的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，其特征在于：所述第一形状记忆合金弹簧、所述第二形状记忆合金弹簧的表面涂覆有保温涂层。

5.如权利要求1所述的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，其特征在于：所述第一加热部件、所述第二加热部件均包括控制器和加热器，所述控制器控制所述加热器启动/关闭，以对第一形状记忆合金弹簧/第二形状记忆合金弹簧加热/冷却。

6.如权利要求1所述的弧形弹簧驱动的三自由度解耦并联机构，其特征在于：所述第一形状记忆合金弹簧、所述第二形状记忆合金弹簧的横截面为圆形、椭圆或方形。

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